過程設(shè)備設(shè)計課件

1、過程設(shè)備設(shè)計過程裝備與控制工程專業(yè)核心課程,茂名石化,過程設(shè)備？專業(yè)：過程裝備與控制裝備：過程機器——能量轉(zhuǎn)換裝置：如泵、壓縮機、風(fēng)機…過程設(shè)備——各種化學(xué)反應(yīng)、單元操作所需設(shè)備， 如：精餾塔、干燥塔、反應(yīng)塔、換熱器…設(shè)計？ 有目的、有約束的工程設(shè)計！,目 錄 緒論壓力容器導(dǎo)言壓力容器應(yīng)力分析壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響壓力容

2、器設(shè)計儲存設(shè)備換熱設(shè)備塔設(shè)備,幾點說明：1、本專業(yè)最核心的專業(yè)課，為本專業(yè)的“飯碗”。2、本專業(yè)最獨特的專業(yè)課——其它專業(yè)學(xué)生都不學(xué)。3、其核心內(nèi)容——壓力容器 非常廣泛地使用于工業(yè)和 民用領(lǐng)域。2、控制方向和裝備方向的必修課。3、本專業(yè)的考研課程之一，也是非本專業(yè)研究生一 般都需選修的課程。,緒論10個問題：（1） 產(chǎn)品的分類

3、硬件產(chǎn)品（hardware)軟件產(chǎn)品(software)流程性產(chǎn)品(processed material),,（2）過程工業(yè)的概念 過程工業(yè)是指包括:化工輕工煉油食品制藥冶金能源 等行業(yè)在內(nèi)的工業(yè)。,煉油廠設(shè)備,（3）過程工業(yè)的特點 a. 屬于生產(chǎn)流程性材料產(chǎn)品的制造業(yè) b. 生產(chǎn)過程為流程性的 例：合成氨工業(yè) 造氣

4、、凈化、合成三大部分組成。 c.處理的物料以流體、粉體為主,（4）過程裝備 過程裝備 ——過程機器 ——過程設(shè)備 過程機器——壓縮機、泵、分離機、風(fēng)機等。 完成其功能的主要部件為轉(zhuǎn)動或平動 ！ 過程設(shè)備——塔器、傳熱設(shè)備、反應(yīng)器、儲罐等 完成其功能的主要部件不運動！幾個身邊的例子：鍋爐、油罐車

5、、壓力鍋…..,（5）工藝與裝備的關(guān)系 “工藝是先導(dǎo)，裝備是保障”。例：余國琮 院士啟示：只有既懂工藝，又懂裝備與控制，才可能成為合格的過程工業(yè)的工程師。 （6） 過程系統(tǒng) 工藝+裝備+控制+技術(shù)經(jīng)濟學(xué)+…,（7） 過程工業(yè)的主要發(fā)展領(lǐng)域過程原理與技術(shù)的創(chuàng)新 ——主要包括三傳一反原理與技術(shù)的創(chuàng)新。成套裝置技術(shù)的創(chuàng)新 ——從系統(tǒng)工程的

6、角度研究裝備技術(shù)的創(chuàng)新。過程裝備放大技術(shù)的創(chuàng)新 ——規(guī)?；沁^程工業(yè)的發(fā)展趨勢。,過程裝備結(jié)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新 ——具有優(yōu)良性能的新結(jié)構(gòu)技術(shù)。 過程裝備設(shè)計理論和手段的創(chuàng)新 ——如熱經(jīng)濟學(xué)優(yōu)化設(shè)計理論、強度理論、失效判斷理論等；計算機輔助設(shè)計(CAE)軟件包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）。過程裝備材料技術(shù)的創(chuàng)新 ——陶瓷材料、納米材料、復(fù)合材料等

7、的技術(shù)創(chuàng)新。,過程裝備制造技術(shù)的創(chuàng)新 ——計算機輔助制造技術(shù)（CAM)。過程裝備故障診斷技術(shù)的創(chuàng)新 ——再線診斷技術(shù)的創(chuàng)新。過程控制技術(shù)的創(chuàng)新 ——新型傳感器技術(shù)和控制理論的創(chuàng)新。清潔生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新 ——環(huán)境影響評估技術(shù)與清潔生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新。,（8）過程設(shè)備與過程機器示例,過程機器和過程設(shè)備的聯(lián)系與區(qū)別：——都屬于過程裝備；——過程機器：主要功能是把能量傳遞給物料，提高

8、 其壓力或速度。一般為選型設(shè)計?！^程設(shè)備：主要功能是為物料的物理過程或化學(xué) 過程提供適宜的場所。非標(biāo)設(shè)計。選型設(shè)計：按工藝需求，選擇機器的型號。非標(biāo)設(shè)計：遵守國標(biāo)前提下，針對具體設(shè)備進行設(shè)計。,（9）過程設(shè)備的基本要求a. 安全可靠 過程設(shè)備往往都是“炸彈”，即使是常壓設(shè)備，由于過程工業(yè)

9、所處理的物料往往具有較強的腐蝕性、毒性、發(fā)射性，一旦物料泄漏，將對環(huán)境和各種生物帶來毀滅性的傷害，所以，過程設(shè)備必須安全可靠。b. 滿足過程的要求 過程設(shè)備的主要功能是為物料的物理過程或化學(xué)過程提供適宜的場所，因此它必須要滿足過程的要求。如合成塔、吸收塔、換熱器都必須滿足相應(yīng)過程的要求。,c. 有好的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo) 單位產(chǎn)品成本低、熱力學(xué)完善度高。d. 易于操作、維護和控

10、制 操作簡單、可維護性和可修理性好，有優(yōu)良的控制水平。如換熱器的清污性能好、管束替換方便、操作彈性好。e. 優(yōu)良的環(huán)境性能 對環(huán)境的影響盡可能地?。òǎ何锪衔廴?、聲污染、光污染、熱污染、放射性污染等）。,（10）過程設(shè)備的設(shè)計a. 設(shè)計 制造 使用 維護與修理,,評估標(biāo)準(zhǔn)：功能安全性經(jīng)濟性對環(huán)境的影響可制造性時

11、間等,改進,,,,,,b. 過程設(shè)備設(shè)計的主要內(nèi)容文獻檢索與分析確定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定材料確定設(shè)計理論和設(shè)計方法工藝設(shè)計總體設(shè)計強度設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計確定制造工藝性能評價,總結(jié)： 過程設(shè)備是化工、輕工、煉油、食品、制藥、冶金、能源等行業(yè)廣泛使用的一種裝備，有別于一般的裝備。過程設(shè)備的設(shè)計涉及到過程原理、固體力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、機械學(xué)、自動控制原理與儀器儀表等學(xué)科。其涉及學(xué)科的范圍和問題的復(fù)雜程度都是工程

12、問題中極為少見的。 先進的過程設(shè)備設(shè)計方法是以計算機輔助設(shè)計（CAE)為標(biāo)志的以尋求最優(yōu)化結(jié)果為目標(biāo)的設(shè)計。,,壓力容器導(dǎo)言1.1 壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.2 壓力容器的分類1.3 壓力容器規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)提示：過程設(shè)備通常也稱為壓力容器與設(shè)備，或簡 稱為壓力容器。,,封頭,,筒身,,支座,,接管,,筒節(jié),,環(huán)焊縫,,縱焊縫,,補強圈,,盲板,,接管,,,,支座,,上封

13、頭,,下封頭,,圖片,法蘭,,補強圈,,,圖片,返回,問題： 壓力容器主要由哪幾部分構(gòu)成？各有什么作用？提示：壓力容器必須提供一個密閉的空間！理由？壓力容器通常由以下8個部分組成：,a. 筒身 鋼板卷制而成 制造容易、成本低筒身 整體鍛造而成 制

14、造困難、成本高、性能好 單層 多用于中低壓容器筒身 多層 多用于高壓容器問題：壓力容器可以用什么材料制作？,,,b. 封頭 按形狀可分為：球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭、錐形封頭、平板封頭等。 特點：軸對稱！半橢球封頭 半橢球封頭

15、 半球形封頭,特點？,錐形封頭特點？,,c. 法蘭 容器法蘭： 用于容器間或容器與封頭的連接； 管道法蘭： 用于管道間的連接；問題：法蘭的作用？,d. 密封裝置 用于連接件之間的密封，防止物料泄漏。e. 開孔與接管 在容器上開孔的目的是為了便于檢修（人孔和手孔），或是為了安裝各種安全附件、或

16、是為了滿足工藝的要求。問題：為何在容器上開孔？,f. 支座 把壓力容器支承并固定在基礎(chǔ)上。問題：不要支座行嗎？g. 補強圈 開孔會引發(fā)開孔區(qū)域產(chǎn)生過大的應(yīng)力，為安全計，需要補強圈補強。 提示：局部增強！,h. 安全附件 安裝各種安全泄放裝置和各種壓力表、測溫儀表、液位計等。問題：高壓鍋的安全泄

17、放裝置？問題：任何保證壓力容器的安全？,,1.2 壓力容器的分類a. 壓力容器分類的理由 壓力容器潛在的危害程度不同！ 壓力容器發(fā)生事故所造成的危害程度差別很大，而決定危害程度的因素又很多，有壓力、溫度、物料的相態(tài)、物料的毒性、易燃易爆性、規(guī)模、使用場所等。提示：聯(lián)系后續(xù)內(nèi)容中的焊縫分類、應(yīng)力分類！,,b. 壓力容器分類的依據(jù) 主要根據(jù)壓力、溫度

18、、物料的相態(tài)、物料的毒性、易燃易爆性、規(guī)模、使用場所等——都與壓力容器的潛在危害程度相關(guān)！壓力容器的分類提示：經(jīng)常考的內(nèi)容！,按壓力大小分 低壓容器（L） 0.1MPa≤p100MPa注：記住幾個壓力界限！提示：大部分的壓力容器為中低壓容器。,按用途分 反應(yīng)器——如合成塔、反應(yīng)釜… 換熱器——如廢熱鍋爐、汽車發(fā)動機水冷卻器… 分離器——如精餾塔、干燥塔… 儲 罐——如

19、油罐、家用液化氣罐…按安裝方式分 固定式——絕大部分壓力容器 移動式——如火車物料罐、汽車油罐…,按安全管理分（按容規(guī)分類 最重要的分類?。┓譃槿悾?具有下列情況之一的，為第三類壓力容器：高壓容器中壓容器且介質(zhì)為極度毒性和高度危害中壓貯存容器且介質(zhì)為易燃或中等毒性、pv≥10MPa. m³中壓反應(yīng)容器且介質(zhì)為易燃或中等毒性、pv≥0.5MPa. m³容規(guī)：壓力容器

20、安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程,低壓容器且介質(zhì)為極度毒性和高度危害、 pv≥0.2MPa. m³高壓、中壓管殼式余熱鍋爐中壓搪玻璃壓力容器使用強度級別較高的材料制造的壓力容器(抗拉強度≥540MPa)移動式壓力容器容積大于50m³的球形容器容積大于5m³的低溫貯存容器,具有下列情況之一的，為第二類壓力容器：中壓容器低壓容器且介質(zhì)為極度毒性和高度危害低壓反應(yīng)器和低壓貯存容器，介質(zhì)易燃或毒性中等低壓管殼式

21、余熱鍋爐低壓搪玻璃壓力容器除上述規(guī)定以外的低壓容器為第一類壓力容器。注意：各國對壓力容器的分類方法不盡相同。問題：容規(guī)分類中需考慮哪些因素？,,1.3 壓力容器規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)1.3.1 國外壓力容器標(biāo)準(zhǔn)簡介ASME規(guī)范 美國標(biāo)準(zhǔn)（American society of Machinery engineering) 為世界上第一部壓力容器設(shè)計和制造方面的規(guī)范，歷史悠久，更新速度快，涵蓋范圍

22、寬，同時也是許多國家制定相關(guān)規(guī)范的藍本（如日本、中國等國家）。,提示：壓力容器的設(shè)計必須遵守各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)！,,1965年推出ASME規(guī)范；1968年推出ASME規(guī)范的兩個分冊：第一冊為傳統(tǒng)的規(guī)則設(shè)計（Design by Rules)第二冊為分析設(shè)計規(guī)范（Design by Analysis）提示1：壓力容器設(shè)計分為常規(guī)設(shè)計和分析設(shè)計！后者更科學(xué)、更合理！提示2：本課程重點介紹常規(guī)設(shè)計！,歐盟壓力容器標(biāo)準(zhǔn)

23、 為適應(yīng)歐洲一體化而建立的標(biāo)準(zhǔn)，正在逐步完善。該規(guī)范對中國的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)也有一定的影響。如英國1976年制定的BS5500標(biāo)準(zhǔn)，為分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。日本標(biāo)準(zhǔn) 日本于1993年推出分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JIS8250。,1.3.2 國內(nèi)主要壓力容器標(biāo)準(zhǔn) 較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)是：1989年制定的GB150-89《鋼制壓力容器》和 GB151-89《鋼制管殼式換熱器》等

24、。1998，1999年又重新修訂了這兩部標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)都是以ASME規(guī)范為藍本，同時也吸取了歐洲標(biāo)準(zhǔn)的一些思想，同時也加入了一些自己的思想和方法（如管板強度設(shè)計方法）。注：新版標(biāo)準(zhǔn)在征求意見中！,提示：標(biāo)準(zhǔn)很多！,GB150-1998《鋼制壓力容器》 為常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) JB4732－95《鋼制壓力容器－分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 為兼有常規(guī)設(shè)計和分析設(shè)計內(nèi)容。注意： 由于部

25、門分割、標(biāo)準(zhǔn)修訂時間間隔過長和所采用的強度設(shè)計準(zhǔn)則不同，造成了我國有國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至還有地方標(biāo)準(zhǔn)的狀況，但這些標(biāo)準(zhǔn)的差別并不是很大，今后，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)會逐步淡出，壓力容器的規(guī)范還是以國家標(biāo)準(zhǔn)為主，國家標(biāo)準(zhǔn)也會因為經(jīng)濟全球化而逐步向國際標(biāo)準(zhǔn)靠攏。,強者制定標(biāo)準(zhǔn)！,1.3.3 國家標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)的比較 GB150較多地參照了ASME！1、與美國標(biāo)準(zhǔn)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容基本相同；2、制定標(biāo)準(zhǔn)的出發(fā)點也相

26、差不多；3、差別主要在： a、標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍 b、材料的許用應(yīng)力 c、材料的牌號及其性能、技術(shù)指標(biāo)有所不同。,1.3.4 制定標(biāo)準(zhǔn)的目的 標(biāo)準(zhǔn)化的目的是為了實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化、通用化、降低產(chǎn)品成本、且提供了法律依據(jù)。壓力容器是一種潛在危害很大的裝備，因此，對設(shè)計、制造、使用、維修等方面的工作和從事這些工作的資質(zhì)都必須有章可循。問題：如何看待壓力容器的規(guī)范？“工程

27、設(shè)計是一門藝術(shù)！”——路甬祥注意：工程設(shè)計必須遵守相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)！,,壓力容器應(yīng)力分析2.1 回轉(zhuǎn)薄殼的應(yīng)力分析2.2 厚壁容器的應(yīng)力分析2.3 結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系2.4 殼體的穩(wěn)定性分析2.5 典型局部應(yīng)力本章為常規(guī)設(shè)計的基礎(chǔ)！是期末考和考研的重點！問題：應(yīng)力分析的目的？問題：何謂強度？,,2 壓力容器應(yīng)力分析問題：壓力容器失效的后果？導(dǎo)致壓力容器失效的最根本原因是什么呢？2.

28、1 回轉(zhuǎn)薄殼的應(yīng)力分析2.1.1 回轉(zhuǎn)薄殼的概念回轉(zhuǎn)殼的特點： 母線以回轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)而得，故為對稱殼體。,若：壁厚/中面曲率半徑≤0.1，稱該殼體為薄殼，反之為厚殼。為什么要區(qū)分厚、薄殼？薄殼——常規(guī)設(shè)計，依據(jù)無力矩理論！簡單，誤差大！厚殼——分析設(shè)計，依據(jù)有力矩理論！復(fù)雜，誤差??！在應(yīng)力分析中，假定：材料是連續(xù)、各向同性、變形為彈性小變形、殼壁各層纖維在變形過程及變形后

29、互相不擠壓（？？）。,考研同學(xué)注意此假定！,2.1.2 薄壁圓筒的應(yīng)力分析分析方法：單元體平衡法環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)向應(yīng)力問題：環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)向應(yīng)力的作用效果？,水平方向力平衡關(guān)系（采用截面法）：,提示：區(qū)域平衡方程！說明：截面法并不都可用！單元體平衡法更具普遍性！擴展：還原論,水平方向的力平衡式：,,,提示1：厚度設(shè)為1提示2：總體平衡，則其部分必處于平衡狀態(tài)。,單元體平衡法：由局部微元的平衡關(guān)系推導(dǎo)出整體

30、 的平衡關(guān)系。提示：微分 積分一般方法：取有代表性微元 （關(guān)鍵！）建立力平衡關(guān)系 （一般為微分方程）解微分方程得到定解 （一般需考慮邊界條件）提示：軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的應(yīng)力求解非常簡單！問題：如何取有代表性微元 ？,,2.1.3 回轉(zhuǎn)薄殼的幾何要素第一曲率半徑R1、第二曲率半徑R2,2.1.4 無力矩理論和有力矩理論,殼體內(nèi)力分析,無力矩

31、理論（薄膜理論）,有力矩理論（彎曲理論）,薄膜力,橫向剪力,彎矩、扭矩,十個內(nèi)力分量,,,,,,內(nèi)力,10個,無力矩理論都是圍繞中面展開的，因壁很薄，中面上的變形和應(yīng)力可代表薄殼的變形和應(yīng)力！,,對于承受軸對稱載荷的殼體中面受力？,有力矩理論更合理，也更復(fù)雜！,設(shè)想：如果可以用簡單的無力矩理論進行壓力容器的設(shè)計，且 誤差又不大！ 回轉(zhuǎn)薄殼！,2.1.5 無力矩理論的基本方程采用微元體平衡法導(dǎo)

32、出,注意：以下為無力矩力學(xué)理論！,建立作用在微元體上的內(nèi)力與外載荷之間的平衡關(guān)系最后得： 拉普拉斯方程注意： P——與殼體表面垂直的壓力問題1：公式中各物理量的單位？問題2：一個公式中有兩個未知量，如何解？提示1：記住公式！明確其中物理量！提示2：考研者需學(xué)會推導(dǎo)！,區(qū)域平衡方程——應(yīng)力求解的重要途徑！,一般用來求經(jīng)向應(yīng)力，在回轉(zhuǎn)軸方向建立力平衡方程

33、。,氣體壓力在回轉(zhuǎn)軸方向合力：環(huán)帶：內(nèi)力在回轉(zhuǎn)軸方向合力：區(qū)域平衡方程：,例：圓柱薄殼的區(qū)域平衡方程：,結(jié)合拉普拉斯方程得：,與之前的推導(dǎo)相同！,提示：環(huán)向應(yīng)力也可由拉普拉斯方程直接得到！,例：承受氣壓球殼M點經(jīng)向應(yīng)力。得經(jīng)向應(yīng)力：結(jié)合拉普拉斯方程得：,,,,2.1.6 無力矩理論的應(yīng)用 承受氣體內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)薄殼：,左側(cè)公式為通用公式！通用的范圍？,提示：考研必考內(nèi)容！,問題：載荷不止氣壓時，

34、怎么辦？,a.球形殼體,b.圓柱殼體,提示：記住公式，分析特點！,問題：球形殼體的優(yōu)點？缺點？,擴展問題：工業(yè)實踐中，很少使用半球形封頭，理由？,擴展問題：工業(yè)實踐中，很少使用球形容器，理由？,C、錐形殼體,截面是什么形狀？,過A點截面與OA子線垂直！,,A點的兩相應(yīng)力計算公式？有何特點？,半錐角等于90度時？ 半錐角等于0度時？,O點的應(yīng)力？,原因？,D、橢球形殼體,情況要復(fù)雜一些，但仍然按拉普拉斯方程和區(qū)域平衡方程求解！,幾個問

35、題：1. a/b 的不同比值與兩向薄膜應(yīng)力之間的關(guān)系；2. a/b比值為1時，對應(yīng)球形薄殼；3. a/b比值為2時，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)橢球薄殼，其一半為標(biāo)準(zhǔn)半橢球封頭，為應(yīng)用最廣泛的封頭（？）。,E、儲存液體的回轉(zhuǎn)薄殼,由拉普拉斯方程得：,由A點以上部分的區(qū)域平衡方程得：,,問題：如果支座在容器的中部，支座上方、下方的應(yīng)力如何推導(dǎo)？,僅受自重作用時的應(yīng)力由拉普拉斯方程得：由區(qū)域平衡方程得： 為A點以上部分殼體的

36、重量。,,x,如果支座不再底部，其上方、下方的兩向應(yīng)力？,回轉(zhuǎn)薄殼——圓柱、圓錐、球殼在以下情況時的兩向薄膜應(yīng)力如何推導(dǎo)？僅受自重作用僅受氣壓作用僅受液體靜壓作用氣壓和液體靜壓共同作用方法都一樣！ 拉普拉斯方程區(qū)域平衡方程——求經(jīng)向應(yīng)力,考研特別注意！,E .球形殼體應(yīng)力在支座支承處有突變，說明什么？,支座處彎曲內(nèi)力很大！無力矩理論計算結(jié)果誤差大！,圖片,無力矩理論的應(yīng)用條件,殼體的厚度、中面曲率和載荷

37、連續(xù)，沒有突變，且構(gòu)成殼體的材料的物理性能相同。殼體的邊界處不受集中力、且不受變形限制。 客觀地說，實際的壓力容器都不能使用無力矩理論，但對于大部分的薄壁容器，由無力矩理論得到的結(jié)果與真實情況之間的偏差并不大，完全可以滿足工程界的要求。如果上述條件得不到滿足，則無力矩理論不適用。,核心：變形不協(xié)調(diào)！,2.1.7 回轉(zhuǎn)薄殼的不連續(xù)分析,a. 不連續(xù)和不連續(xù)分析 幾何形態(tài)不連續(xù)、或數(shù)學(xué)不連

38、續(xù)、或載荷突變，由此造成應(yīng)力突變或出現(xiàn)大應(yīng)力狀況。 由于不連續(xù)情況的存在，在此區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了各部分變形不協(xié)調(diào)的情況，造成過大的應(yīng)力，導(dǎo)致設(shè)備在局部破壞，最終造成設(shè)備失效。 分析不連續(xù)應(yīng)力的方法稱為不連續(xù)分析。,核心：變形不協(xié)調(diào)！,幾何形態(tài)不連續(xù),問題：圖中，幾個地方存在幾何形狀突變？,材料不連續(xù),核心：變形不協(xié)調(diào)！,集中載荷,核心：變形不協(xié)調(diào)！,材料厚度突變,核心：變形不協(xié)調(diào)！,b. 不連續(xù)分析方法,

39、變形分析（△M、△Q、φM、φQ） ↓變形協(xié)調(diào)方程 ↓邊緣力和邊緣力矩（Mo、Qo） ↓位移（w） ↓內(nèi)力和內(nèi)力矩（Nx、Nθ、Mx、Mθ、Qx） ↓應(yīng)力（∑σψ、∑σθ）,求解不連續(xù)應(yīng)力的步驟,了解,力的連續(xù)（各種內(nèi)力、應(yīng)力） 分析方法的核心是：

40、 變形的連續(xù)（線位移、角位移）注意：內(nèi)力包括軸力、剪力、彎距；應(yīng)力包括正應(yīng)力和 剪應(yīng)力。 通過有力矩理論建立協(xié)調(diào)方程后即可求解出不連續(xù)區(qū)域的各種力和變形。,,c. 不連續(xù)應(yīng)力的特性局限性自限性（限于塑性材料）,距相貫處約60mm，應(yīng)力以急速衰減至薄膜應(yīng)力的大?。?重要特點！,局限性、自限性的意義？,d. 對不連續(xù)應(yīng)力的處理盡量消除或降低不連續(xù)應(yīng)力產(chǎn)生的條件；對一般的由塑

41、性材料制成的壓力容器不進行不連續(xù)應(yīng)力的計算（計算難度大且工作量大、局限性和自限性也降低了不連續(xù)應(yīng)力的危害），僅根據(jù)不連續(xù)應(yīng)力的特點進行局部處理；對由脆性材料制成的壓力容器或重要的設(shè)備（如三類容器），必須用有限元程序計算不連續(xù)應(yīng)力。,(1)    殼體必須光滑連續(xù)——R1、R2、d 及材質(zhì)（如E、m 等）無突變；(2)    殼體上載荷必須連續(xù)——表面力或溫度無突變，無集

42、中力或力矩作用；(3)    邊界支承（或連接）的邊界力只能作用在經(jīng)線切線方向且無彎矩。在違背上述三個條件的局部區(qū)域內(nèi)，必然存在較大內(nèi)彎矩，無力矩理論不適用，必須用有力距理論分析。,無力矩理論的應(yīng)用條件,,2.2 厚壁容器的應(yīng)力分析分析方法：老三步，力平衡+幾何方程+物理方程。 在彈性力學(xué)和板殼理論的基礎(chǔ)上，按有力矩理論的方法處理。但只有一部分相對簡單的問題可以得到理論解，而

43、大部分的問題無法得到理論解，此時，只能利用有限元程序包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）來對厚壁容器的應(yīng)力和變形進行分析。2.2.1 壓力載荷引起的彈性應(yīng)力采用微元體平衡分析方法。,彈性應(yīng)力——壓力、溫差引起,內(nèi)外壓力作用下厚壁圓筒的應(yīng)力表達式：,軸向應(yīng)力 ： 因為變形前后圓筒橫截面保持平面，假設(shè)其在厚度方向均勻分布,周向應(yīng)力 ？？？徑向應(yīng)力？？？,平衡方程：,,幾何方程：,,,,,,

44、物理方程：,,,,,,,,,,微分方程：,,,邊界條件：,（或?qū)τ陂_式圓筒）,,Lame公式,厚壁圓筒應(yīng)力分布,僅受內(nèi)壓時的應(yīng)力特點 ：,,,① 周向應(yīng)力：拉應(yīng)力，三個應(yīng)力中最大,且 ② 徑向應(yīng)力：壓應(yīng)力，且③ 軸向應(yīng)力：拉應(yīng)力，均勻分布，且,④ 應(yīng)力分布的不均勻性：⑤ 按Mises 屈服條件(第四強度理論）,僅受內(nèi)壓時的應(yīng)力特點 ：,,,,,,2.2.2 溫度變化引起的彈性熱應(yīng)力,微元體

45、的熱應(yīng)力,,,y方向受到剛性約束時的熱應(yīng)力：,x和y方向受到剛性約束時的熱應(yīng)力：,x 、y 、z方向 均受到剛性約束時的熱應(yīng)力：,,厚壁圓筒的熱應(yīng)力,* 熱應(yīng)力與溫差△t成正比，和溫度的絕對值沒有直接的關(guān)系。,* 壁厚越大，傳熱阻力越大，內(nèi)外壁溫差也越大，會導(dǎo)致熱應(yīng)力增大。,軸向溫度不變，穩(wěn)態(tài)傳熱,,,綜合應(yīng)力分布,內(nèi)壓內(nèi)加熱：內(nèi)壁應(yīng)力減小，而外壁應(yīng)力增大，應(yīng)力狀態(tài)有可能惡化。 內(nèi)壓外加熱：內(nèi)壁的綜合應(yīng)力增大，而外壁應(yīng)力減小，應(yīng)力狀態(tài)

46、惡化。必須考慮溫差應(yīng)力,內(nèi)壓內(nèi)加熱：內(nèi)壁應(yīng)力減小，而外壁應(yīng)力增大，應(yīng)力狀態(tài)有可能惡化。,內(nèi)壓外加熱：內(nèi)壁的綜合應(yīng)力增大，而外壁應(yīng)力減小，應(yīng)力狀態(tài)惡化。必須考慮溫差應(yīng)力,,,熱應(yīng)力分布特點： 1、內(nèi)外壁處,2、內(nèi)外壁應(yīng)力之差：,,3、任意一點應(yīng)力關(guān)系：,溫差應(yīng)力的工程估算：,,,不計溫差應(yīng)力的條件：,(1)    保溫良好；(2)    材料已發(fā)生蠕變變形；(3)

47、 的內(nèi)壓內(nèi)加熱的容器。,,設(shè)計壓力,減小熱應(yīng)力的措施,1、控制設(shè)備的加熱和冷卻速度,2、控制和減小構(gòu)件的熱變形約束,3、設(shè)置膨脹節(jié),4、采用良好的保溫層,減小熱應(yīng)力的措施,1、控制設(shè)備的加熱和冷卻速度,2、控制和減小構(gòu)件的熱變形約束,3、設(shè)置膨脹節(jié),4、采用良好的保溫層,2.2.3 厚壁容器材料的有效利用,厚壁內(nèi)壓容器在承受壓力時，內(nèi)部材料先于外部材料進入塑性狀態(tài)，由此提出兩個問題：一是容器的失效判

48、定，二是材料的有效利用問題。 第一個問題涉及容器設(shè)計的強度理論，第二個問題涉及容器的合理結(jié)構(gòu)和材料的配置使用問題。,厚壁圓筒使用前，用超過工作壓力的壓力進行超壓處理，使圓筒發(fā)生彈塑性變形，卸除壓力后保留殘余應(yīng)力，工作時殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力疊加，使圓筒應(yīng)力分布趨于均勻，提高圓筒的彈性承載能力。,,提高圓筒屈服承載能力的措施,(1)  自增強：施加內(nèi)壓，使內(nèi)壁屈服，產(chǎn)生殘余應(yīng)力（預(yù)壓縮應(yīng)力）

49、。(2) 預(yù)應(yīng)力：施加外壓，使內(nèi)壁產(chǎn)生預(yù)壓縮應(yīng)力；多層圓筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為薄壁圓筒，外層采用鋼板、型帶、鋼絲等作外層材料，用包扎、纏繞等方法或過盈配合方法使外層緊貼內(nèi)層，并施加外壓力。,,2.2.4 平板應(yīng)力分析,應(yīng)用：平蓋、人（手）孔蓋、管板、法蘭環(huán)、矩形容器器壁 形式：圓形、圓環(huán)形、橢圓形、矩形,（3）變形特征——軸對稱橫向載荷下，圓形薄板雙向彎曲?！芟驈澢较驈澢?）圓平板應(yīng)力分析主要考慮：軸對稱橫向載荷、小撓度圓形

50、薄板的應(yīng)力和變形,,①中性面假設(shè)：純彎曲問題；②直法線假設(shè)：中面的法線變形后仍為直線，且⊥于中面；③不擠壓假設(shè)：板內(nèi)垂直于板面的正應(yīng)力不予考慮，且不計應(yīng)變。 上述假定統(tǒng)稱為克希霍夫（Kirchhoff）假定。,5）彈性薄板小撓度理論的基本假設(shè)：,(6) 分析過程：,根據(jù)特定邊界條件，求解圓板軸對稱彎曲的基本微分方程得撓度w，于是有：,徑向應(yīng)力,,周向彎矩Mq,周向應(yīng)力,徑向彎矩Mr,,應(yīng)力與厚度t的關(guān)系：——線性,,

51、,,,,圓平板中的應(yīng)力,,,,,,,,確定邊界條件？？？,周邊固支圓平板,Wmax=?,,,板上、下表面處（z＝±t/2)：,,,r/R,在哪兒？,周邊簡支圓平板,板上、下表面處（z＝±t/2)：,,,r/R,在哪兒？,支承方式對變形和應(yīng)力的影響： 在其它條件相同的情況下，周邊固定圓平板的最大應(yīng)力小于周邊簡定圓平板的最大應(yīng)力，只約為后者的2/3；前者的最大變形也僅為后者的1/4。,2.2.5

52、 有限元方法有限單元法：把連續(xù)的實體（無限多自由度）離散為有限多個單元實體的集合（有限多自由度），即把一個連續(xù)的問題轉(zhuǎn)化為不連續(xù)的問題，最終得到問題的數(shù)值解。啟示：布料的結(jié)構(gòu),p p 總的質(zhì)量不變，梁的剛度不變，把連續(xù)分布的質(zhì)量離散為4個集中質(zhì)量，梁本身無質(zhì)量。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,引擎連桿的(CAE)分析（實

53、體分為2978個元素）,作為一種數(shù)學(xué)方法，有限元法的思想在很早以前就提出來了，但由于計算量太大，限制了該方法的應(yīng)用。80年代以后，由于計算機的普及尤其是PC機性能的提高，有限元法得到了飛速發(fā)展，出現(xiàn)了集CAD、CAE、CAM為一體的各種有限元軟件包，如i-deas、pro-e、UG、ANSYS、SAP等。 目前，有限元方法的軟件包越來越多，功能也越來越強大，大量地應(yīng)用于航天、機械、水利、能源等等領(lǐng)域，不僅用于力學(xué)

54、方面，也用于溫度場的確定。,,2.3 結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系 決定設(shè)備應(yīng)力分布的因素很多，其中，設(shè)備的結(jié)構(gòu)是重要的一個因素。通過比較各種結(jié)構(gòu)薄壁容器的應(yīng)力大小，我們可以得到如下的一些結(jié)論：對筒身來說，力學(xué)性能由好到差的順序是按球體、橢球體、圓筒、錐筒、平壁容器排列的；對封頭來說，力學(xué)性能由好到差的順序是按半球形、半橢球形、碟形、錐形、平板形。,,,2.4 殼體的穩(wěn)定性分析,,圓筒失穩(wěn)時出現(xiàn)的波紋,殼體失

55、穩(wěn)的概念？？,對外壓容器，存在失穩(wěn)的破壞形式。2.4.1 圓柱殼體的三種類型：長圓筒 失穩(wěn)呈兩個波形短圓筒 失穩(wěn)呈兩個以上波形剛性圓筒 不失穩(wěn)問題：什么樣的圓筒易失穩(wěn)？,2.4.2 臨界壓力和臨界長度臨界長度 Lcr,式中：D0 —— 圓筒外徑 t ——厚度當(dāng)LcrL時，為短圓筒 計算長度L為剛性構(gòu)件（如封頭、法蘭

56、、加強圈等）之間的距離，取法見下圖：,,臨界壓力對長圓筒：對短圓筒：,,,Pamm公式,,外壓圓筒的穩(wěn)定條件,m—穩(wěn)定性安全系數(shù)，圓筒m=3,,設(shè)計壓力：,壓縮壓力：,外壓容器的失效形式步驟：判斷圓筒類型計算臨界壓力判斷圓筒是否安定,,2.4.3 理論計算和工程實踐的關(guān)系現(xiàn)象：外壓力<臨界壓力 ,有時也會發(fā)生容器的失穩(wěn)?。拷Y(jié)論：理論計算的預(yù)測不夠準(zhǔn)確原因：理論計算的模型和真實容器存在較大的

57、出入。 理論模型的假定條件？材料是各向同性的；材料無缺陷；圓筒的不直度和不圓度為0；各處壁厚完全一樣。,理論的功能：解釋現(xiàn)象預(yù)測現(xiàn)象問題：什么樣的理論是正確的？ 表象上可能有偏差，但必須揭示現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律！,大衛(wèi)·思各特的實驗,,2.5 典型局部應(yīng)力,不連續(xù)問題!,解決不連續(xù)問題的方法?有力矩理論采用塑性好的材料 如銅、鋁、鈦的合金，或低碳鋼

58、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計還有其它計算方法嗎？,不開孔時殼體上的環(huán)向薄膜應(yīng)力,最大應(yīng)力,,,,,,,如何降低局部應(yīng)力?合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計減少兩連接部件的剛度差別；盡量采用圓弧過渡；,減少附件傳遞的局部載荷盡量減少結(jié)構(gòu)中的缺陷,局部補強選擇合理的開孔位置,圖片,總結(jié)：回轉(zhuǎn)薄殼,薄壁圓筒的應(yīng)力分析 單元體平衡法 ： 拉普拉斯公式

59、 區(qū)域平衡方程 無力矩理論及其使用條件 有力矩理論 不連續(xù)問題及其解決方法厚壁容器的 應(yīng)力分析 方法：有力矩理論、有限元法,,壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響3.1 壓力容器常用鋼材3.2 非金屬材料3.3 環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響3.4 壓力容器材料的選擇,3.1 壓力容器常用鋼材鋼材形狀：鋼板 如筒身

60、鋼管 如接管鍛造件 如法蘭,鋼材類型 碳素鋼 含碳量〈2.06% 如Q235系列、10、20、20R鋼低合金鋼 低碳低合金，合金元素總量〈3% 如16MnR、16MnDR等高合金鋼 低碳高合金 如0Cr18Ni9、40Cr、1Cr18Ni9Ti等,鐵-碳合金相圖：α—α鐵素體γ—奧氏體δ—δ鐵素體,3.1.1

61、 晶粒尺寸和合金元素提示：晶體：原子或分子在空間規(guī)則排列的 物質(zhì)。 材料分為晶體和非晶體，金屬材料是晶體。晶粒尺寸與材料性能的關(guān)系,結(jié)論：晶粒尺寸越小，材料的整體性能越好。措施？塑性變形 鐵匠反復(fù)鍛打鐵塊的目的？ 加工拉面或千層餅的面團如何處理？淬火處理 可以細化晶粒。 回火、焊接操作對晶粒尺寸的 影響？,合金元素的作用純金屬的特點

62、 以純鐵為例合金的特點合金元素 在基體材料中加入的某些金屬或非金屬元素。合金化合金化的目的 提高材料的綜合性能。如力學(xué)性能、加工性能、防止腐蝕的性能等。,3.1.2 塑性變形 塑性變形

63、的優(yōu)點？ 細化晶粒尺寸使晶格扭曲 提高材料的強度！ 塑性變形的缺點？ 造成加工硬化降低材料的抗腐蝕性能。,3.1.3 焊接焊接的優(yōu)點 加工方便、成本低等優(yōu)點。焊接的缺點 造成晶粒粗大、有殘余應(yīng)力、局部變形、焊接缺陷等現(xiàn)象。,圖片,圖片,焊接缺陷,焊接質(zhì)量檢驗 一般采用無損探傷方法，如射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷等方法。3.2 非金屬材料

64、 主要有工程塑料、石墨、陶瓷等。共同特點為耐蝕性好、強度低。 用途逐漸增多，如汽車發(fā)動機、石墨換熱器、陶瓷換熱器等。,,3.3 環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響溫度 性能變化 高溫蠕變介質(zhì) 腐蝕,3.3.1 溫度短期、靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響E—彈性模量σs—屈服強度σb—抗拉強度δ—延長率Ψ —斷面收縮率,高溫、長期靜載條件下鋼材的力

65、學(xué)性能,3.3.2 介質(zhì) 化學(xué)腐蝕腐蝕 電化學(xué)腐蝕 局部腐蝕腐蝕 全面腐蝕,,,圖片,金屬腐蝕的危害？ 金屬材料的浪費、突發(fā)安全事故、污染產(chǎn)品等。絕大部分金屬材料的腐蝕都是能夠自發(fā)進行的過程 提示：不要想從根本上消除腐蝕！影響金屬材料腐蝕的因素？ 四個：材料、介質(zhì)、力學(xué)因素和結(jié)構(gòu)因素。

66、 提示：防止或減小腐蝕的措施也要從這幾方面著手！,腐蝕分類 局部腐蝕 全面腐蝕局部腐蝕分類應(yīng)力腐蝕孔蝕間隙腐蝕晶間腐蝕腐蝕疲勞磨損腐蝕,,3.4 壓力容器材料的選擇3.4.1 壓力容器用鋼的基本要求 較高的強度良好的塑性韌性制造性與介質(zhì)的相容性 介質(zhì)使材料脆化、腐蝕經(jīng)濟性,3.4.2 壓力容器鋼材的選擇 需考慮以下因素：壓力容器的使用條件制造工藝的特點

67、材料的使用經(jīng)驗（尤其是工業(yè)經(jīng)驗）經(jīng)濟性能相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),,壓力容器設(shè)計4.1 概述4.2 設(shè)計準(zhǔn)則4.3 工程設(shè)計的過去、現(xiàn)在、將來4.4 常規(guī)設(shè)計4.5 分析設(shè)計4.6 疲勞分析4.7 壓力容器設(shè)計進展,,4.1 概述4.1.1 設(shè)計要求設(shè)計要求：功能、安全性、先進性、經(jīng)濟性的統(tǒng)一 滿足設(shè)備的功能是最基本的要求； 安全是核心，是前提； 經(jīng)濟是目標(biāo)； 先進性必須以設(shè)備的功能

68、、安全、經(jīng)濟性為前提，并 在這三個方面得到體現(xiàn)。,壓力容器設(shè)計基本內(nèi)容,常規(guī)設(shè)計,分析設(shè)計,注意事項：對待工程設(shè)計的態(tài)度決定了設(shè)計的成敗；設(shè)備設(shè)計必須有系統(tǒng)思想；設(shè)計依據(jù)必須充分；設(shè)計方案的論證是關(guān)鍵；必須遵循設(shè)計規(guī)范；工程設(shè)計可以不完美，但絕不能有錯誤；沒有哪個設(shè)計是十全十美的；相關(guān)技術(shù)問題的有效解決是達成合格設(shè)計的前提；先進、高效的設(shè)計手段是達成優(yōu)秀設(shè)計作品的有力保證。,4.1.2 設(shè)計文件包括：設(shè)計